艾比湖湿地不同植物群落下土壤铵态氮、硝态氮时空分布特征

马莹萍　李艳红　努尔比耶·阿布都热合曼

摘 要：为研究新疆艾比湖湿地不同植物群落土壤铵态氮、硝态氮时空变化特征，笔者以艾比湖典型植被梭梭、胡杨、柽柳和芦苇群落为研究对象，分析不同植物群落下铵态氮、硝态氮的时空分布，并进行土壤理化性质相关性分析。结果表明，不同植物群落土壤铵态氮、硝态氮含量分别介于2.45～14.02mg/kg、58.45～1.28mg/kg，两种氮素形态都以硝态氮为主。从垂直来看，4种不同群落的总体分布为柽柳群落>梭梭群落>胡杨群落>芦苇群落。从时间来看，8月铵态氮累积较多，11月硝态氮累积含量较多，且8月、11月铵态氮和硝态氮与土壤的理化性质具有显著性差异。

关键词：艾比湖湿地;铵态氮;硝态氮;时空分布

中图分类号：X833 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）26-0150-07

Temporal and Spatial Distribution Characteristics of Soil Ammonium and Nitrate Nitrogen in Different Plant Communities in the Ebinur Lake Wetland

MA Yingping LI Yanhong NURBIYE Abdulzheman

（Xinjiang Normal University，Urumqi Xinjiang 830054）

Abstract： In order to study the spatial and temporal variation characteristics of soil ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in different plant communities in the Ebinur Lake wetland in Xinjiang，the author studied the typical vegetation of Haloxylon ammodendron， Populus euphratica， Tamarix chinensis and Phragmites communis， analyzed the spatial and temporal distributions of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in different plant communities， and carried out the correlation analysis of soil physical and chemical properties. The results showed that the contents of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in different plant communities were between 2.45 and 14.02mg/kg and 58.45 to 1.28mg/kg， respectively， the two nitrogen forms were mainly nitrate nitrogen. From a vertical perspective， the overall distribution of four different communities was Tamarix chinensis community>Haloxylon ammodendron>Populus euphratica community>Reed community. From the time point of view， the accumulation of ammonium nitrogen was more in August， and the accumulation of nitrate nitrogen in November was more， and the physicochemical properties of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in August and November were significantly different.

Keywords： Wetland of Ebinur Lake;ammonium nitrogen;nitrate nitrogen;space-time distribution

湿地是具有独特土壤、水文、植被与生物特征的生态系统，湿地氮素分布特征影响湿地植物的养分供给和湿地生态系统的生产力[1，2]。新疆艾比湖是典型的干旱区内陆湖泊，由于降水稀少、蒸发旺盛，土壤盐泽化为影响该地区农业发展的主要因素之一[3]。学者对艾比湖的水分、养分、盐分等土壤理化性质进行了多方面的研究[4-7]，而对艾比湖流域不同植物群落下氮素的时空变化研究甚少。为探寻干旱区湖泊湿地有机碳的蓄积量及固碳机制[8，9]，本文选择艾比湖沿湖不同植物群落作为研究对象，对艾比湖不同类型1m深度土壤的有机碳储量进行分层定量测算后统计湿地的总氮库量，分析不同植物群落下土壤铵态氮与硝态氮的时空变化，探究土壤理化性质与铵态氮、硝态氮的相关性，为新疆干旱区湿地生态系统修复、保護与科学管理提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

艾比湖湿地自然保护区位于东经82°36′～83°50′，北纬44°30′～45°09′。它是新疆第一大咸水湖，总面积约650km2，属于典型温带大陆性气候，日照充足，蒸发量大，降水量少。年均气温为6～8℃，多年平均降水量为200mm[10-14]。本研究按湖心质点将研究区分为西南、东南、东北和西北四个部分。西南部有博尔塔拉河，土壤类型主要有粉砂、细砂、盐土和砂土，植被以芦苇和碱蓬为主;东南部为河流冲积平原和湖积平原，同时也叠加风成地貌，土壤类型为灰棕漠土、灰漠土和盐土[15]，主要植被类型为胡杨、梭梭和罗布麻等植物;东北部是准噶尔盆地西南边最低洼地和水盐汇集中心[16]，土壤类型有灰棕漠土、灰漠土，主要植被类型有梭梭、胡杨和柽柳等耐盐碱植被;西部处于阿拉尔山口的主风道，土壤类型为风沙土、砂粒，主要植被类型为梭梭、柽柳和芦苇等[17]。研究其空间变异规律可为土壤和地下水环境的保护，防止水体富营养化提供科学依据。

1.2 研究方法

2017年8月，沿湖由北（石头房子）至南（鸟岛）设置7个采样点（石头房子、科克巴斯陶、桑德库木、盐池桥、鸭子湾、北地和鸟岛），分别选择梭梭、胡杨、芦苇和柽柳4种典型植物群落，同时记录各采样点的经纬度、海拔、地形、地貌及植被特征等环境因素，如表1所示。每个采样点设置一个100m×100m大样方，用五点法分别在每个大样方中设5个10m×10m的小样方。每个小样方内取一个剖面分5层取样，即0～5cm、5～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm，采好后放入密封袋中。样品在实验室内风干、碾碎、过筛，标记后放在阴凉干燥处储存备用[18]。

本研究采用数理统计方法，选用Excel 2003处理数据、ArcGIS制图，运用SPSS 23.0分析铵态氮、硝态氮土壤理化性质。

2 不同植物群落湿地土壤铵态氮和硝态氮的动态分布特征

2.1 不同植物群落湿地土壤铵态氮动态分布特征

2.1.1 不同植物群落湿地土壤铵态氮空间分布特征。如图1（a）所示，2015年8月，铵态氮含量为3.85～15.24mg/kg。从垂直分布来看，4种不同植物群落湿地土壤中，柽柳群落湿地铵态氮含量明显偏高，总体趋势为10～20层出现小累积峰且都降低。从水平分布来看，4种植物群落湿地土壤铵态氮总体趋势表现为由地表向地下含量逐渐降低，5～10层出现小累积峰和明显的低谷（分解谷）。4种不同群落的总体分布趋势为柽柳群落>梭梭群落>胡杨群落>芦苇群落。

相反，如图1（b）所示，11月的铵态氮含量为2.47～7.53mg/kg。垂直方向上，胡杨群落湿地土壤铵态氮含量明显降低，总体来看，10～20层出现小累积峰且都降低。从水平分布来看，其土壤铵态氮总体趋势为0～5层，5～10层，胡杨群落>芦苇群落>梭梭群落>柽柳群落;10～20cm，20～40cm，40～60cm层，芦苇群落>梭梭群落>柽柳群落>胡杨群落。4种不同植物群落湿地土壤达到显著差异水平（[P]<0.05）。

2.1.2 不同植物群落湿地土壤铵态氮的时间变化特征。如图2（a）所示，2015年8月，梭梭群落土壤铵态氮含量为5.32～6.89mg/kg。总体来看，各土层铵态氮含量差距不大，梭梭群落湿地土壤剖面20～40层铵态氮平均含量高，40～60层含量最低，与各土层的肥量有关。梭梭群落平均值为14.05mg/kg，标准差为0.01。2015年11月，铵态氮含量范围为3.85～4.97mg/kg。平均值为16.8mg/kg，标准差为0.02，总体趋势为每个土壤层8月铵态氮含量都高于11月，说明梭梭群落土壤累积铵态氮含量具有季节性，且夏季大于秋季。

如图2（b）所示，2015年8月胡杨群落土壤铵态氮含量为8.72～4.02mg/kg，土壤剖面0～5层铵态氮含量最高，5～10层含量最低，但无明显差距。胡杨群落土壤铵态氮平均值为4.15mg/kg，标准差为0.01，随着土层深度的变大，铵态氮含量逐渐降低。11月，胡杨群落铵态氮含量范围为5.24～2.01mg/kg。总体来看，11月胡杨群落土壤铵态氮含量明显低于8月。但随着土壤深度的增加，铵态氮含量逐渐减少。

如图2（c）所示，2015年8月，芦苇群落土壤铵态氮含量为5.91～3.08mg/kg。0～5土层芦苇群落土壤铵态氮含量最高，10～20土层含量最低。铵态氮平均含量为10.85mg/kg，标准差为0.01。11月，芦苇群落土壤铵态氮含量为5.83～4.05mg/kg。20～40层土壤剖面累积的铵态氮含量最多，5～10层的累积含量最低，铵态氮的平均含量为8.72mg/kg，标准差为0.02，总体上，芦苇群落土壤铵态氮含量两个月增减趋势大概一致。

如图2（d）所示，2015年8月，柽柳铵态氮含量为13.01～16.23mg/kg，总体上各土层铵态氮含量一致。铵态氮平均含量为8.13mg/kg，标准差为0.30。11月，柽柳群落土壤铵态氮含量为8.72 mg/kg，标准差为0.21。总体来看，其增减趋势一致，无明显增减，累积量一样且8月铵态氮含量明显高于11月。

不同植物群落下平均铵态氮含量统计特征值如表2所示。

2.2 不同植物群落土壤硝态氮动态分布特征

2.2.1 不同植物群落土壤硝态氮空间分布特征。如图3所示，2015年8月，硝态氮含量为16.45～46.73mg/kg。垂直分布上，4种不同植物群落湿地土壤硝态氮含量变化趋势一致，整体来看，由表向上明显增高，40～60层出现小累积峰。芦苇群落土壤累积峰出现在5层，且硝态氮含量逐渐降低。水平分布上，4种不同群落总体分布趋势为柽柳群落>梭梭群落>胡杨群落>芦苇群落。2015年11月，硝态氮含量为2.47～7.30mg/kg。从垂直分布上看，4种不同植物群落土壤各土层硝态氮含量分解谷明显，10～20层胡杨群落硝态氮含量最多，总体来看，40～60层都出现小累积峰且含量最低。从水平分布来看，4种植物群落土壤硝态氮含量的分布为：胡杨群落>梭梭群落>柽柳群落>芦苇群落。

2.2.2 不同植物群落土壤硝態氮时间变化特征。如图4（a）所示，2015年8月，梭梭群落土壤硝态氮含量为58.34～1.72mg/kg。总体来看，8月各土层硝态氮含量差距不大，梭梭群落湿地土壤剖面20～40层铵态氮的平均含量高，40～60层含量最低，这与各土层的肥量有关。梭梭群落平均值为34.05mg/kg，标准差为为0.08。11月，硝态氮的含量范围为56.43～1.97mg/kg。平均值为19.08mg/kg，标准差为0.03，总体来看，8月每个土壤层的硝态氮含量都高于11月，说明梭梭群落土壤累积的硝态氮含量具有季节性，且夏季大于秋季。

如图4（b）所示，2015年8月，胡杨群落土壤硝态氮含量介于54.62～1.34mg/kg，0～5层铵态氮含量最高，5～10层含量最低，胡杨群落土壤硝态氮平均值为20.96mg/kg，标准差为0.2，随着土层深度的变大，硝态氮含量逐渐降低。11月，胡杨群落铵态氮含量范围为58.46～2.01mg/kg。随着土壤深度增加，铵态氮含量逐渐减少。

如图4（c）所示，2015年8月，芦苇群落土壤硝态氮含量为5.91～3.08mg/kg。0～5土层芦苇群落土壤硝态氮含量最高，10～20土层含量最低。硝态氮平均含量为19.43mg/kg，标准差为0.5。11月，芦苇群落土壤硝态氮含量为48.24～1.85mg/kg。20～40层土壤剖面累积硝态氮含量最多，5～10层累积含量最低，铵态氮的平均含量为18.8mg/kg，标准差为0.5，总体上来，芦苇群落土壤硝态氮含量两个月的增减趋势大概一致，没有太明显的差别。

如图4（d）所示，2015年8月，柽柳硝态氮含量为58.42～4.08mg/kg，总体上看，各土层硝态氮的含量一致，无明显差别。铵态氮的平均含量为25.6mg/kg，平准值为1.24mg/kg。11月，柽柳群落土壤硝态氮含量为53.2～2.03mg/kg。

不同植物群落的平均硝态氮含量如表3所示。

3 结果分析

3.1 不同植物群落土壤理化性质与铵态氮和硝态氮的关系

2015年8月，不同植物群落铵态氮、硝态氮与土壤理化性质的相关性如表4所示。铵态氮与有机质、盐分含量呈显著正相关（[P]<0.05），说明土壤铵态氮与有机质的变化紧密联系，有机质和盐分存储在土壤中。铵态氮与土壤pH值呈极显著负相关（[P]<0.01），说明土壤pH值是影响铵态氮与硝态氮平衡转化的重要因素，pH值会影响土壤中微生物的活性，进而间接影响其平衡转化[19，20]。

2015年11月，不同植物群落铵态氮、硝态氮与土壤理化性质的相关性如表5所示。有机质与铵态氮呈负相关（[P]<0.05），这与土壤储存养分的季节性有关。铵态氮与盐分、pH值呈显著正相关（[P]<0.05），说明土壤铵态氮与盐分、pH直接相关，盐分储存于土壤中。硝态氮与有机质、盐分呈显著正相关（[P]<0.05），说明土壤硝态氮与有机质的变化紧密关联，有机质和盐分储存于土壤中。硝态氮与pH值呈现显著负相关（[P]<0.05），pH值会影响土壤中微生物的活性，进而间接影响其平衡转化。

3.2 不同植物群落土壤铵态氮与硝态氮的空间变异性分析

结合半方差函数理论及计算模型，本研究得出了2015年8月、11月不同植物群落的土壤铵态氮与硝态氮变异函数模型及相关参数，如表6、表7所示。半方差模型参数中，能够表明土壤性质空间相关性高低程度的参数为空间相关性，即[C0/（C0+C1）]。若[C0/（C0+C1）]值小于25%，表现为强空间相关性;若比值为25%～75%，空间相关性为中等;若比值大于75%，空间相关性很弱;若比值接近1，表明区域尺度上具有恒定的变异。

通过分析可知，除11月柽柳群落下土壤铵态氮与硝态氮为指数模型和8月梭梭群落下土壤铵态氮与硝态氮为球状模型外，其他群落下土壤铵态氮与硝态氮含量的半方差理论模型均为高斯模型。本研究所选取的4种植物群落中，除8月柽柳群落下土壤的铵态氮与硝态氮含量的[C0/（C0+C1）]均值大于25%外，其余群落土壤铵态氮与硝态氮含量的[C0/（C0+C1）]值均小于25%。由此可见，不同植物群落土壤铵态氮与硝态氮呈较强的空间自相关性。

对模型的结构方差、块方差和基台值（[C0+C1]）的比值分析发现，研究区不同植物群落下土壤铵态氮与硝态氮的空间差异以结构性差异为主，其主要可能是当地小气候、土壤类型等结构性因素引起的，8月梭梭群落下土壤铵态氮与硝态氮含量的块金值（[C0]）和基台值（[C0+C1]）均高于其他植物群落相应值，说明8月梭梭群落下土壤铵态氮与硝态氮含量的总变异程度明显强于其他植物群落。总体来看，8月、11月不同植物群落下土壤铵态氮与硝态氮均有一定的空间变异性。

3.3 不同植物群落对土壤铵态氮和硝态氮的空间分布影响

土壤铵态氮与硝态氮的空间分布如图5所示。通过克里格插值法（Kriging）對2015年8月和11月的土壤铵态氮、硝态氮含量进行插值，结果发现，植物群落土壤铵态氮与硝态氮含量空间分布呈破碎斑块状，高值主要分布在艾比湖周边区域，低值主要分布在远离艾比湖区域。8月，土壤铵态氮与硝态氮最值范围分别为1.3～29.7mg/kg、13.2～75.2mg/kg;11月，土壤铵态氮与硝态氮最值范围分别为2.1～11.0mg/kg、2.3～55.3mg/kg。

湿地植物群落与土壤理化性质之间具有一定影响，通过土壤铵态氮与硝态氮含量空间分析，笔者发现，8月土壤铵态氮、硝态氮含量分布高于11月，表明植物群落生长区域土壤铵态氮、硝态氮含量随季节的变化而改变，具有季节性。另外，含水量对土壤铵态氮、硝态氮的形成与积累产生一定影响。

4 结论

不同植物群落土壤铵态氮与硝态氮含量分布介于2.45～14.02mg/kg、58.45～1.28mg/kg，两种氮素形态都以硝态氮为主。从垂直分布看，4种不同植物群落土壤铵态氮含量总体趋势均表现为由地表向地下逐渐降低，但累积峰深度不同。从水平分布看，4种不同植物群落土壤硝态氮含量总体趋势均表现为由地表向地下逐渐上升，每个土层的累积峰度也高。受土壤理化性质影响，植物群落不同，土壤铵态氮、硝态氮的相互转化能力不同。

不同月份，不同植物群落土壤铵态氮与硝态氮的含量分布不同。铵态氮8月累积含量较多，硝态氮11月累积的含量较多，且8月和11月的铵态氮、硝态氮与土壤的理化性质具有显著性差异，跟月份紧密相关。有机质、pH值与8月不同植物群落的土壤铵态氮分布显著相关。盐分与硝态氮含量具有显著性。有机质、盐分与11月不同植物群落的土壤硝态氮含量具有显著性，pH值与不同植物群落的铵态氮显著相关。

参考文献：

[1]黄蓉，王辉，马维伟，等.尕海洪泛湿地退化过程中土壤理化性质的变化特征[J].水土保持学报，2014（5）：221-227.

[2]刘月杰.博斯腾湖芦苇湿地生态恢复研究[D].北京：北京化工大學，2004.

[3]肖玮钰.西北地区春玉米气候适宜性区划和干旱风险评估[D].南京：南京信息工程大学，2013.

[4]方丽章，李艳红，李发东，等.艾比湖湿地土壤水分-盐分-养分空间异质性分析[J].农业环境科学学报，2019（1）：157-167.

[5]朱海强，李艳红，李发东.近10年艾比湖湿地不同植物群落土壤水分-盐分-养分变化特征[J].西北植物学报，2018（3）：535-543.

[6]张雅莉，塔西甫拉提·特依拜，阿尔达克·克里木，等.艾比湖湿地干湿季土壤水分和土壤盐分空间异质性研究[J].中国农村水利水电，2017（1）：37-42.

[7]曹雷，丁建丽，牛增懿.基于TVDI的艾比湖地区土壤水分时空变化分析[J].水土保持研究，2016（3）：43-47.

[8]王勇辉.艾比湖湿地土壤有机碳（氮）蓄积及循环模式研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2015.

[9]刘旭，李畅游，贾克力，等.北方干旱区湖泊湿地沉积物有机碳分布及碳储量特征研究：以乌梁素海为例[J].生态环境学报，2013（2）：319-324.

[10]贾春光，王晓峰，金海龙，等.新疆艾比湖湖面动态变化及其影响研究[J].干旱区资源与环境，2006（4）：152-156.

[11]艾尤尔，亥热提，王勇辉，等.艾比湖湿地土壤碱解氮的空间变异性分析[J].土壤，2014（5）：819-824.

[12]贾美芹.郑州黄河滩地不同植被土壤养分的含量与分布特征[J].贵州农业科学，2013（8）：132-134.

[13]帕里达·马给拉.艾比湖干涸湖底表土微团粒粒度分布特征[D].乌鲁木齐：新疆大学，2014.

[14]苗荣.基于RTK的艾比湖周边植被空间格局的研究[D].乌鲁木齐：新疆师范大学，2010.

[15]常静.准噶尔盆地西北缘典型荒漠植物群落优势种种群空间格局分析[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2006.

[16]张雪梅.干旱区盐生植物的土壤氮素特征研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2011.

[17]杨军.艾比湖湿地自然保护区典型植物群落土壤水文生态效应研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2011.

[18]高军.新疆典型荒漠植物胡杨“肥岛”特征与生态学意义[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2008.

[19]赵明亮.艾比湖高盐湖泊湿地典型植物群落下土壤呼吸规律研究[D].乌鲁木齐：新疆师范大学，2017.

[20]万忠梅，吴景贵.土壤酶活性影响因子研究进展[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2005（6）：87-92.